JP2010031858A - Regenerating device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、排気システムにおけるパティキュレートフィルタの再生装置に関するものであり、上記排気システムは、燃焼機関特にディーゼルエンジンからの高温排気ガスを導く排気ダクトと、上記パティキュレートフィルタの上流側において上記排気ダクトに組み込まれた触媒特に酸化触媒と、を備え、この排気システムもしくは燃焼機関には、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガスの流れに供給し得る噴射装置が設けられている。 The present invention relates to a particulate filter regenerator in an exhaust system, and the exhaust system includes an exhaust duct for guiding high-temperature exhaust gas from a combustion engine, particularly a diesel engine, and the exhaust duct upstream of the particulate filter. The exhaust system or combustion engine is provided with an injection device that communicates with the fuel reservoir and can supply the fuel, particularly hydrocarbon-containing fuel, to the exhaust gas flow. Yes.
燃焼機関が大気中に排出する排気ガスには、種々の汚染物質が含まれている。汚染物質の排出を低減するために、排気ガスを後処理する種々の装置が開発されている。例えば、有害なガス状物質を無害な成分に変換するために触媒が用いられ、また、好ましくない固体粒子の捕集のためにパティキュレートフィルタが用いられる。ディーゼルエンジンの排気系では、例えば、ディーゼル用酸化触媒およびその下流に配置されるパティキュレートフィルタを設けることができる。排気ガス流に含まれるすす状微粒子(スート)は、パティキュレートフィルタに捕集され、かつここに蓄えられる。所定の量となると、排気ガスの排出が過度に妨げられることがないように、捕集されたスートをパティキュレートフィルタから除去する必要がある。この処理は、再生と呼ばれる。パティキュレートフィルタの再生の一般的な処理は、堆積していたスートを焼却するために、所定温度までパティキュレートフィルタを加熱することである。これは、基本的に、所望の加熱装置によって実行することができる。しかしながら、この加熱装置は、パティキュレートフィルタをスートの着火温度まで加熱するために比較的高い性能を有することが必要であり、従って、大きなエネルギを要し、設置スペースが大となる。 The exhaust gas discharged from the combustion engine into the atmosphere contains various pollutants. In order to reduce pollutant emissions, various devices have been developed to post-process the exhaust gas. For example, a catalyst is used to convert harmful gaseous substances into innocuous components, and a particulate filter is used to trap unwanted solid particles. In the exhaust system of a diesel engine, for example, an oxidation catalyst for diesel and a particulate filter disposed downstream thereof can be provided. Soot-like fine particles (soot) contained in the exhaust gas flow are collected by a particulate filter and stored therein. When the amount reaches a predetermined amount, it is necessary to remove the collected soot from the particulate filter so that the exhaust gas is not excessively hindered. This process is called reproduction. A general process for regenerating the particulate filter is to heat the particulate filter to a predetermined temperature in order to incinerate the accumulated soot. This can basically be performed by a desired heating device. However, this heating device needs to have a relatively high performance in order to heat the particulate filter to the ignition temperature of the soot, and therefore requires a large amount of energy and a large installation space.
従って、二次的な燃料噴射(HC供給)の原理に基づく他の処理方法が開発されている。これは、燃料特に未燃炭化水素の形態の燃料によって、触媒での反応が引き起こされ、触媒を加熱することができる、という事実を利用したものである。ライトオフ(着火)温度と一般に呼ばれる特定の温度以上では、燃料の発熱反応が生じ、つまり、着火後も反応が自立的に継続し、熱を放出し続ける。この発熱反応により、触媒は、下流に配置されたパティキュレートフィルタを堆積スートの焼却に必要な温度にまで加熱するのに十分な程度に加熱され得る。この場合、別の加熱装置は不要である。排気ガス流への燃料の噴射は、通常、触媒に直接近付けて配置された噴射装置を用いてなされる。これに代えて、排気ガス流への燃料の噴射をエンジン内部で行うこともでき、例えば、燃焼空間への燃料の後噴射によって行うことができる。 Therefore, other processing methods based on the principle of secondary fuel injection (HC supply) have been developed. This takes advantage of the fact that fuels, particularly in the form of unburned hydrocarbons, can cause a reaction in the catalyst and heat the catalyst. Above a specific temperature commonly referred to as the light-off (ignition) temperature, an exothermic reaction of the fuel occurs, that is, the reaction continues autonomously after ignition and continues to release heat. By this exothermic reaction, the catalyst can be heated to a degree sufficient to heat the particulate filter disposed downstream to the temperature required for incineration of the deposited soot. In this case, another heating device is unnecessary. Injection of fuel into the exhaust gas stream is usually done using an injection device placed in close proximity to the catalyst. Alternatively, the fuel can be injected into the exhaust gas flow inside the engine, for example by post-injection of fuel into the combustion space.
しかしながら、触媒温度がライトオフ温度よりも低いと発熱反応は起こらないので、燃料噴射によるパティキュレートフィルタの再生は、燃焼機関が特定の運転状態にあるときにのみ可能である。さらに、燃料消費が増加するという問題もある。 However, since the exothermic reaction does not occur when the catalyst temperature is lower than the light-off temperature, regeneration of the particulate filter by fuel injection is possible only when the combustion engine is in a specific operating state. Furthermore, there is a problem that fuel consumption increases.
従って、本発明の目的は、パティキュレートフィルタの再生を、より柔軟で、信頼性が高く、かつ燃料をより節約して行えるようにすることにある。 Accordingly, it is an object of the present invention to enable the regeneration of the particulate filter to be more flexible, more reliable, and save more fuel.
上記の課題は、請求項1記載の特徴を有する再生装置によって解決される。 The above-mentioned problem is solved by a reproducing apparatus having the features of claim 1.
本発明によれば、再生装置は、さらに、噴射された燃料の発熱反応が生じる反応温度まで触媒を加熱することができるバーナと、排気システムおよび/または燃焼機関の運転状態に応じて上記バーナおよび噴射装置を作動あるいは非作動に選択的に切り換える少なくとも一つの切換装置と、を備える。 According to the present invention, the regenerator further includes a burner capable of heating the catalyst to a reaction temperature at which an exothermic reaction of the injected fuel occurs, and the burner and the burner according to the operating state of the exhaust system and / or the combustion engine. And at least one switching device that selectively switches the injection device between activated and deactivated.
触媒を、何時でも、バーナを用いてライトオフ温度へと加熱することができ、燃焼機関の運転状態に拘わらず再生を実行することができる。本発明では、バーナは単に触媒を反応温度にまで加熱できればよいので、この点で、パティキュレートフィルタを直接に加熱するバーナに比較して、実質的により小型でかつエネルギ消費の少ないバーナとして設計することができる。上記の反応温度は、通常、堆積したすす状微粒子の焼却温度よりも低いので、大幅な節減が可能である。切換装置は、排気システムおよび/または燃焼機関の運転状態に応じて、適当な一方の装置もしくは双方の装置を選択して作動させることができ、これにより、再生装置の作動が全体として最適化される。 The catalyst can be heated to the light-off temperature at any time using a burner, and regeneration can be performed regardless of the operating state of the combustion engine. In the present invention, the burner only needs to be able to heat the catalyst to the reaction temperature, and in this respect, the particulate filter is designed to be substantially smaller and less energy consuming than the burner that directly heats the particulate filter. be able to. Since the above reaction temperature is usually lower than the incineration temperature of the deposited soot-like fine particles, significant savings are possible. Depending on the operating conditions of the exhaust system and / or the combustion engine, the switching device can be operated by selecting one or both of the devices, which optimizes the operation of the regenerator as a whole. The
本発明は、さらに、排気システムのパティキュレートフィルタの再生方法に関するものであって、上記排気システムは、燃焼機関特にディーゼルエンジンから高温排気ガス流を導く排気ダクトと、パティキュレートフィルタの上流側において上記排気ダクトに組み込まれた触媒特に酸化触媒と、を備えており、上記排気システムもしくは上記燃焼機関には、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガス流に供給し得る噴射装置が設けられている。 The present invention further relates to a method for regenerating a particulate filter of an exhaust system, the exhaust system including an exhaust duct for guiding a high-temperature exhaust gas flow from a combustion engine, particularly a diesel engine, and the upstream side of the particulate filter. An injection device comprising a catalyst, in particular an oxidation catalyst, incorporated in an exhaust duct and capable of supplying the exhaust system or the combustion engine with fuel, in particular a hydrocarbon-containing fuel, into an exhaust gas stream in communication with a fuel reservoir Is provided.
そして、本発明に係る方法は、さらに、燃料の発熱反応が生じる反応温度まで上記触媒を加熱できるバーナを設けるステップと、排気システムおよび/または燃焼機関の運転状態を判定するステップと、上記パティキュレートフィルタの再生の際に、この判定した運転状態に応じて、上記バーナおよび/または上記噴射装置を作動させるステップと、を備えている。 The method according to the present invention further includes a step of providing a burner capable of heating the catalyst to a reaction temperature at which an exothermic reaction of fuel occurs, a step of determining an operating state of the exhaust system and / or the combustion engine, and the particulate A step of operating the burner and / or the injection device according to the determined operating state when the filter is regenerated.
本発明のさらなる発展が、従属請求項、発明の詳細な説明および図面に記載されている。 Further developments of the invention are described in the dependent claims, the detailed description of the invention and the drawings.
切換装置は、好ましくは、触媒の温度が反応温度よりも低くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときに、バーナを作動させ、かつ必要であれば噴射装置を作動させるように構成されている。従って、例えば、パティキュレートフィルタにおけるすす状微粒子の堆積が再生を必要とするあるレベルに達したが、他方では、燃焼機関の始動直後であるなどの理由により触媒温度が発熱反応を生じさせるには低すぎるような場合に、切換装置は、バーナを作動させ、これにより、触媒を、二次的な燃料噴射に要求される温度へと効率よくかつ素早く加熱することができる。さらに、未消費の十分な燃料が既に排気ガス流に含まれている場合を除き、噴射装置が作動する。 The switching device is preferably configured to operate the burner when the temperature of the catalyst is lower than the reaction temperature and the particulate filter needs to be regenerated and, if necessary, the injection device. Therefore, for example, the accumulation of soot-like fine particles in the particulate filter has reached a certain level that needs to be regenerated, but on the other hand, the catalyst temperature causes an exothermic reaction, for example, immediately after the start of the combustion engine. If it is too low, the switching device activates the burner, which allows the catalyst to be heated efficiently and quickly to the temperature required for secondary fuel injection. In addition, the injector operates except when sufficient fuel that has not been consumed is already included in the exhaust gas stream.
上記切換装置は、好ましくは、触媒の温度が反応温度よりも高くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときに、噴射装置のみを作動させるように構成されている。これにより、バーナの過剰な動作が回避され、二次的な燃料噴射が可能である限りは、この二次的な燃料噴射によってパティキュレートフィルタの再生が効率的になされる。 The switching device is preferably configured to operate only the injection device when the temperature of the catalyst is higher than the reaction temperature and regeneration of the particulate filter is necessary. Thus, as long as excessive operation of the burner is avoided and secondary fuel injection is possible, regeneration of the particulate filter is efficiently performed by this secondary fuel injection.
上記切換装置は、また、触媒温度が反応温度よりも高くなったときに、バーナを再び非作動とするように構成することができる。従って、より効率的な加熱方法のために、触媒が要求温度に達したら直ちに切換がなされる。適用の態様によっては、反応温度に達してから所定時間の間、あるいは所定の閾値温度に達するまでの間、バーナを噴射装置とともに運転することが望ましい場合もある。 The switching device can also be configured to deactivate the burner again when the catalyst temperature becomes higher than the reaction temperature. Therefore, for a more efficient heating method, switching occurs as soon as the catalyst reaches the required temperature. Depending on the mode of application, it may be desirable to operate the burner with the injector for a predetermined time after reaching the reaction temperature or until a predetermined threshold temperature is reached.
再生装置は、モジュール化したユニットとして構成することができ、噴射装置をこのモジュラーユニット内に一体に組み込むことができる。このような構成では、種々異なる形式の燃焼機関の排気系に再生装置を設置することが可能となり、かつその製造や保守の点で有利となる。 The regenerator can be configured as a modular unit and the injection device can be integrated into the modular unit. Such a configuration makes it possible to install the regenerator in the exhaust system of various types of combustion engines, and is advantageous in terms of manufacturing and maintenance.
バーナおよび噴射装置は、多数の異なる排気システムに容易に一体に組み込むことができるような共通の構成要素によって実現できる。 Burners and injectors can be realized by common components that can be easily integrated into many different exhaust systems.
本発明の課題は、さらに、請求項8に記載の排気システムによって解決される。 The object of the invention is further solved by an exhaust system according to claim 8.
本発明に係る再生方法では、排気システムの運転状態の判定のために、例えば触媒に取り付けられた温度センサを用いて、触媒温度を測定することができる。これに代えて、燃焼機関の運転パラメータ、例えばその温度や速度、を判定するようにしてもよい。 In the regeneration method according to the present invention, the catalyst temperature can be measured using, for example, a temperature sensor attached to the catalyst in order to determine the operating state of the exhaust system. Alternatively, the operating parameters of the combustion engine, such as its temperature and speed, may be determined.
バーナは、好ましくは、触媒の温度が反応温度よりも低くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときに、作動する。これに対し、もし、触媒の温度が再生温度よりも高くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときには、好ましくは、噴射装置のみが作動する。バーナは、触媒温度が反応温度よりも上昇したときに非作動とすることができる。 The burner preferably operates when the temperature of the catalyst is below the reaction temperature and the particulate filter needs to be regenerated. On the other hand, if the temperature of the catalyst is higher than the regeneration temperature and regeneration of the particulate filter is necessary, preferably only the injection device is operated. The burner can be deactivated when the catalyst temperature rises above the reaction temperature.
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図に示す排気ダクト13は、上流側の一端部において燃焼機関(図示せず)から高温の排気ガス流を受け取り、かつ排気テールパイプ(図示せず)まで導いて、この排気テールパイプを通して大気中へ排気ガスを排出する。大気中へ拡散する前に、排気ガス流は、矢印で示すように、排出物の制御のために、触媒15およびパティキュレートフィルタ11を通過する。触媒15は、ディーゼル用酸化触媒などの一般的な酸化触媒でよい。パティキュレートフィルタ11は、すす状微粒子用フィルタであり、排気ガス流に含まれるすす状微粒子を排気ガス流から濾過して内部に蓄えるものである。再生装置は触媒15の上流に配置されており、ここでは、モジュール化した装置つまり再生モジュール23として構成されている。再生モジュール23は、噴射装置17とバーナ19の双方を備え、これらはいずれも排気ダクト13に連通している。噴射装置17は、さらに、燃料リザーバ(図示せず)に接続されている。再生モジュール23と排気ダクト13との接続関係としては、一方では、噴射装置17が排気ダクト13内に開口しており、かつ他方では、バーナ19が触媒15と十分な熱伝達関係となるように、構成されている。
The
再生モジュール23は、4つの異なる作動状態に適用可能である。第1の作動状態では、噴射装置17およびバーナ19の双方が非作動であり、つまり、排気ガス流内への燃料の噴射およびバーナ19による排気ガス流の加熱のいずれもなされない。第2の作動状態では、噴射装置17は非作動でかつバーナ19は作動し、つまり、バーナ19による排気ガス流の加熱は行われるが、燃料の噴射はなされない。第3の作動状態では、噴射装置17が作動し、かつバーナ19は非作動であり、つまり、噴射装置17により排気ガス流へ燃料が供給されるが、バーナ19による排気ガス流の加熱はなされない。第4の作動状態では、噴射装置17およびバーナ19の双方が作動し、つまり、排気ガス流中への燃料の噴射とバーナ19による排気ガス流の加熱との双方が同時になされる。
The
再生モジュール23の個々の作動状態の制御は、再生モジュール23が接続された切換装置21の手段によって実行される。切換装置21は、例えば温度の判定に帯状バイメタルを用いた簡単な電気的スイッチング構成とすることができる。あるいは、切換装置21は、複雑な集積回路を備えたものであってもよい。図示した実施例では、切換装置21は、再生モジュール23から離れた配置となった別の制御装置として構成され、電気的ケーブルを介して再生モジュール23に接続されている。代替として、切換装置21を、再生モジュール23に直接にあるいは再生モジュール23の内部に配置された追加の構成要素として構成することもできる。さらに他の実施例では、切換装置21は、燃焼機関の制御装置に一体化することもできる。
Control of individual operating states of the
切換装置21は、種々の入力信号を受け取り、これに基づいて再生モジュール23の動作を制御する。特に、切換装置21には、触媒温度信号25およびパティキュレートフィルタ堆積信号27が入力される。しかし、パティキュレートフィルタ11の再生を実行すべきかどうか、触媒15の温度がライトオフ温度を上回っているかどうか、そして燃料噴射が必要かどうか、という決定を行う手段のために、他の種々の入力信号を想定することもできる。
The switching
パティキュレートフィルタ堆積信号27がパティキュレートフィルタ11の再生を行うべきであることを示した場合には、切換装置21は、触媒温度信号25を参照して、触媒15の温度が、噴射された燃料の発熱反応が生じる反応温度を下回っているか確認する。もし下回っている場合には、排気ダクト13を触媒15とともに加熱すべくバーナ19が作動する。そして、切換装置21は、必要に応じて、触媒温度信号25に基づき触媒温度を継続的に確認する。触媒温度が反応温度を上回ったら、切換装置21は必要であれば直ちに噴射装置17を作動させ、未燃の液体炭化水素を排気ガス流中に供給する。この液体炭化水素は、触媒15において発熱反応を生じ、これにより、熱が放出されるとともに触媒温度が上昇する。バーナ19ならびに噴射装置17の燃料噴射による触媒15の加熱は、反応温度に達した後、所定の閾値温度に達するまで行われる。閾値温度に達した後は、バーナ19は、切換装置21によって再び非作動となる。触媒15およびそのすぐ近くに配置されたパティキュレートフィルタ11は、噴射燃料の発熱反応により加熱されて、パティキュレートフィルタ11におけるすす状微粒子の焼却ひいてはパティキュレートフィルタ11の再生を達成し得る十分な温度にまで加熱される。
When the particulate
図示した実施例では、再生装置は、噴射装置17およびバーナ19の双方を含むモジュール化したユニットとして構成されている。これに代えて、噴射装置17およびバーナ19を、単一の共通な構成要素として実現することもできる。また態様によっては、噴射装置17およびバーナ19を個々に独立した別個の装置として構成し、両者を互いに離して配置することもできる。例えば、噴射装置17は、燃焼機関の作動のために備えている燃料噴射装置によって実現することができる。このような変形例では、膨張行程中に燃焼室内に遅れを伴って燃料が供給され、これにより、排気ガス流は少なくとも一部が未燃のものとなる。従って、燃料噴射はエンジン内部で行われることになり、別の噴射装置17の設置が不要となる。
In the illustrated embodiment, the regenerator is configured as a modular unit that includes both the
上述した再生モジュール23によれば、排気システムや燃焼機関の運転状態がどのような状態にあっても、何時でも、パティキュレートフィルタ11の再生を実行することができ、例えば、燃焼機関の始動直後であっても可能である。そして、パティキュレートフィルタ11をスートの焼却温度まで直接に加熱するための高コストでかつ占有スペースの大きな加熱装置は、不要である。さらに、燃料噴射は、触媒温度をライトオフ温度よりも高くするという必要な結果を導くときにのみ実行されるので、過剰な燃料消費が回避される。本発明の再生のコンセプトは、工業プラントや自動車分野における種々の形式の燃焼機関に適用することが可能である。
According to the
11…パティキュレートフィルタ
13…排気ダクト
15…触媒
17…噴射装置
19…バーナ
21…切換装置
23…再生モジュール
25…触媒温度信号
27…パティキュレートフィルタ堆積信号
DESCRIPTION OF
Claims (13)
燃料の発熱反応が生じる反応温度まで上記触媒(15)を加熱できるバーナ(19)と、
排気システムおよび/または燃焼機関の運転状態に応じて上記バーナ(19)および上記噴射装置(17)を作動あるいは非作動に選択的に切り換える切換装置(21)と、
を備えたことを特徴とする再生装置。 An exhaust duct (13) for guiding a high-temperature exhaust gas flow from a combustion engine, particularly a diesel engine, and a catalyst (15), particularly an oxidation catalyst, incorporated in the exhaust duct (13) on the upstream side of the particulate filter (11). An apparatus for regenerating the particulate filter (11) in an exhaust system, the injector being capable of supplying the fuel, particularly hydrocarbon-containing fuel, to the exhaust gas stream in communication with a fuel reservoir to the exhaust system or the combustion engine In the configuration provided with (17),
A burner (19) capable of heating the catalyst (15) to a reaction temperature at which an exothermic reaction of the fuel occurs;
A switching device (21) for selectively switching the burner (19) and the injection device (17) to be activated or deactivated according to the operating state of the exhaust system and / or the combustion engine;
A playback apparatus comprising:
上記燃焼機関から高温排気ガス流を導く排気ダクト(13)と、
パティキュレートフィルタ(11)と、
このパティキュレートフィルタ(11)の上流側において上記排気ダクト(13)に組み込まれた触媒(15)特に酸化触媒と、
を備え、
この排気システムもしくは上記燃焼機関が、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガス流に供給し得る噴射装置(17)を備えた構成において、
上記請求項1〜7のいずれかに記載の再生装置をさらに備えていることを特徴とする排気システム。 An exhaust system for a combustion engine, in particular a diesel engine,
An exhaust duct (13) for directing a hot exhaust gas flow from the combustion engine;
A particulate filter (11);
A catalyst (15), particularly an oxidation catalyst, incorporated in the exhaust duct (13) on the upstream side of the particulate filter (11);
With
The exhaust system or the combustion engine comprises an injection device (17) that communicates with a fuel reservoir and can supply the fuel, particularly a hydrocarbon-containing fuel, to an exhaust gas stream.
An exhaust system further comprising the regeneration device according to any one of claims 1 to 7.
燃料の発熱反応が生じる反応温度まで上記触媒(15)を加熱できるバーナ(19)を設け、
排気システムおよび/または燃焼機関の運転状態を判定し、
上記パティキュレートフィルタ(11)の再生の際に、この判定した運転状態に応じて、上記バーナ(19)および/または上記噴射装置(17)を作動させることを特徴とする再生方法。 An exhaust duct (13) for guiding a high-temperature exhaust gas flow from a combustion engine, particularly a diesel engine, and a catalyst (15), particularly an oxidation catalyst, incorporated in the exhaust duct (13) on the upstream side of the particulate filter (11). A regeneration method for the particulate filter (11) in an exhaust system, the injection being capable of supplying the exhaust system or the combustion engine with fuel, in particular a hydrocarbon-containing fuel, in an exhaust gas stream in communication with a fuel reservoir In the configuration comprising the device (17),
A burner (19) capable of heating the catalyst (15) to a reaction temperature at which an exothermic reaction of the fuel occurs is provided;
Determine the operating status of the exhaust system and / or combustion engine,
A regeneration method comprising operating the burner (19) and / or the injection device (17) in accordance with the determined operating state when the particulate filter (11) is regenerated.
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